JPH04228444A - ガラスおよび光ファイバ製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガラス材料の製造方法、
特に、光ファイバの製造に使用されるガラスすすを堆積
する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバは、大量の情報を光波として
伝送するための媒体として重要さを増してきている。光
ファイバの製造方法は数多いが、その多くは火炎からの
ガラスすすの堆積を必要とし、これらの方法は一般に火
炎熱分解または火炎加水分解として知られている。

【０００３】外付け蒸着法（Ｏｕｔｓｉｄｅ　Ｖａｐｏ
ｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，　ＯＶＤ　）と称されるガ
ラス堆積方法は、火炎熱分解によるマンドレル上へのガ
ラスすすの堆積を含み、ガラス粒子の中空円筒形の多孔
質すす体を形成する。堆積された多孔質すすシリンダは
、マンドレル上に取り付けられたシリンダを炉の中で加
熱することによって、圧縮されてガラス基礎管となる。 管の内面上にガラスを蒸着し、その全構造から気泡を抜
くことにより、ガラス基礎管からガラスプリフォームを
作ることができる。

【０００４】気泡を抜いた構造は直接プリフォームとし
て使用でき、または、例えば１９８９年４月１１日権利
化のＪ．Ｗ．バウムガルト（Ｊ．Ｗ．Ｂａｕｍｇａｒｔ
）らによる米国特許第４８２０３２２号に記載されてい
る”ロッド　　イン　　チューブ”方法に従って、オー
バークラッド管と称されるもうひとつの管内に挿入する
ことにより太くすることができる。光ファイバは、ガラ
ス引き抜き法を用いて、加熱されて軟化した完成したプ
リフォームからファイバを引いて作られる。

【０００５】ガラス製造のためのもう一つの堆積方法は
、例えば、１９７６年６月２９日権利化のＳ．Ｅ．ミラ
ー（Ｓ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒ）による米国特許第３９６６
４４６号および１９８２年８月２４日出願のカワチらに
よる米国特許第４３４５９２８号に記載されている気相
軸方向堆積（ＶＡＤ）法である。

【０００６】ガラスすすは火炎からベイトロッド上に堆
積し、ロッドは回転しつつ徐々に火炎から遠ざかって結
果として実質的には中実のすすシリンダとなる。圧縮後
この中実構造物はプリフォームとして使用でき、または
前例のように、ロッドーインーチューブ方法によって太
くされて最終的なプリフォームとされる。

【０００７】使用される全ての方法において、最終的な
光ファイバのクラッドまたは外表面部分はコアより低い
屈折率を有する必要がある。これは通常、ガラスの屈折
率を変化させるためにクラッド領域とコア領域のいづれ
か、または両方に不純物を含有させることにより、達成
される。

【０００８】例えば１９９０年４月１０日権利化のＤ．
Ｗ．モンロー（Ｄ．Ｗ．Ｍｏｎｒｏｅ）らによる米国特
許第４９１５７１６号には、屈折率を増加させる効果が
ある火炎内のゲルマニウム成分が記載されている。従っ
て火炎熱分解は、それがドーピング成分を含むか否かに
かかわらず、プリフォーム、基礎管またはオーバークラ
ッド管として使用される高品質なガラスを作るために事
実上不可欠となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上により、火炎熱分
解とそれに続く堆積されたガラスすすの圧縮によるガラ
ス製造は、光ファイバが引き抜かれるもとのガラスプリ
フォームの作成のための、多くの異なる方法において使
用されていることがわかる。伝送媒体としての光ファイ
バの使用は非常に広範囲になってきているため、現在で
は必需製品と考えられており、その製造コストの削減が
試みられている。火炎熱分解法によってガラスすすが堆
積される速度の増加を、光ファイバ製造コストの削減と
みなすことができる。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】本発明によれ
ば、火炎熱分解法によりガラスすすが堆積される速度を
増加させることによって光ファイバの製造コストが削減
される。本発明は、燃料（一般には気体）を放出しそれ
を発火させて火炎を形成する型の、一般的な従来のトー
チを使用する。

【００１１】従来技術におけるように、火炎内に生じる
温度において反応するために適当な組成と適当な特性を
有する反応物もまた、トーチから放出され、ガラス粒子
の流れを生成する。ガラスはＯＶＤ法に従ってガラスす
すシリンダを形成するためにマンドレル上に集められる
か、または、ＶＡＤ法に従って中実すすシリンダを製造
するために使用される。

【００１２】本発明によると、反応物は（従来技術の特
徴である気体状態ではなく）液体状態においてトーチに
供給され、噴霧されるか、またはトーチ内に含まれる超
音波ノズルによって細かい霧に変換される。超音波ノズ
ルは霧を火炎の方向に噴出し、それにより霧を反応させ
てガラスすす流を形成する。

【００１３】この方法によるガラスすす流の形成はガラ
スすすの堆積速度を有意義に増加させ、従ってすすシリ
ンダの形成に要する時間を短縮することが発見された。 この方法によって作られたガラスすすシリンダの品質お
よび均一性は、従来の方法によるそれらと同等であるこ
も重要である。。

【００１４】これまで作成してきたトーチ内では従来技
術において既知のように、燃料および酸素含有ガスは、
トーチ内の管状の開口部または円形に配置された開口部
の列から放出され、ガスの放出方向を横切る平面におい
て円形の輪郭を有する火炎前部を形成する。超音波ノズ
ルはトーチ内に、液体反応物の霧をガスの放出と同方向
で且つ円形の火炎前部内に、望ましくはその中心または
中心付近に放射するように取り付けられる。

【００１５】液体反応物としては四塩化ケイ素を使用で
きるが、他の反応物も使用可能である。本発明の使用に
より、ガラスすすの堆積速度が非常に速くなることが示
され、従ってすすシリンダおよび最終的な光ファイバ製
品の製造コストが削減される。本発明は、従来技術のよ
うに反応物を最初に蒸気に変換する必要がないため、反
応物のトーチへの供給やこのような供給の制御も簡便に
する。従って供給のコストが削減され、手順の再現性が
増す。

【００１６】

【実施例】図中の種々の部品は一定の縮尺で描かれては
おらず、本発明の説明のために一部は故意に歪めて描か
れている。さらに図中または以下のいくつかの例におけ
るいかなる特定の記述に関わらず、本発明はシングルモ
ード、マルチモード光ファイバ導波路の両方、およびド
ーピングされたガラス、ドーピングされないガラス両方
を明らかに考慮していることに留意すべきである。

【００１７】図１に、本発明を使用した光ファイバ製造
の一つの方法の流れ図が示されている。第一段階１０は
、すすシリンダを作成するための、火炎熱分解によるガ
ラスすすのマンドレル上への堆積から成る。次の段階１
１では、中空のすす円筒を圧縮または焼結してガラス管
とする。

【００１８】この段階はすす円筒を炉内で加熱すること
によって達成され、その詳細は、１９９０年１月２日付
けのＴ．Ｊ．ミラー（Ｔ．Ｊ．Ｍｉｌｌｅｒ）等による
コペンデイング出願（ｃｏｐｅｎｄｉｎｇ　ａｐｐｌｉ
ｃａｔｉｏｎ　）第４５９６０５号のに記載されており
、本出願の受託会社とその子会社とに共同委託されてい
る。段階１２は、圧縮されたガラスを引き延ばし、適当
な直径を有する基礎管とする。

【００１９】次に段階１３に説明されるように、例えば
１９８０年８月１２日権利化のマクチェスニー（Ｍａｃ
Ｃｈｅｓｎｅｙ）らによる米国特許第４２１７０２７号
、および、プロシーデイング・オブ・ＩＥＥＥ（Ｐｒｏ
ｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ＩＥＥＥ）６８巻、１０号、１
９８０年、１１８７ー１１９０頁、Ｐ．Ｃ．シュルツ（
Ｐ．Ｃ．Ｓｃｈｕｌｔｚ　）による論文”蒸着法による
光導波路の作成”に記載され、現在では内付け化学蒸着
法（ＭｏｄｉｆｉｅｄＣｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＣＶＤ　）として周知の方法
によって、ガラスが基礎管の内表面上に蒸着される。

【００２０】ＭＣＶＤの後、段階１４に示されるように
基礎管の気泡を抜く。気泡を抜いたガラスは段階１５に
示されるように引き延ばされて光ファイバとなるプリフ
ォームを成すか、或いは随意に段階１５の引き抜きに先
立って、段階１６に示されるように前述のロッドーイン
ーチューブ法に従ってオーバークラッド管内に適合され
る。

【００２１】オーバークラッド管は一般にＭＣＶＤ基礎
管と同様の方法で作成される。すなわち段階１７に示さ
れるようにマンドレル上に火炎によって堆積され、その
後段階１８、１９に示されるように圧縮され、引き延ば
される。段階１２および１９は、圧縮によって適切な直
径の管が得られた場合には、随意に省略することができ
る。

【００２２】図２は従来技術および本発明に共通する、
中空のすすシリンダの火炎堆積法の説明に用いられる概
略図である。トーチ２０は、酸素含有ガスと発火して火
炎２１を形成する燃料を放出する。トーチはまたフィル
ムの高温で反応するケイ素を含む材料を放出し、中実円
筒形マンドレル２２上に堆積して中空の円筒形すすシリ
ンダを形成するガラスすすを形成する。

【００２３】従来技術によると、ケイ素含有反応物は気
体状態でトーチ２０に供給され、加圧下においてトーチ
２０から火炎２１内に入るように放出される。図１の段
階１０に従って基礎管を、または段階１７に従ってオー
バークラッド管を作るこの方法は両方、最終的に光ファ
イバ内に取り入れるために必要な純度と均一性を有する
ガラスに帰結する。

【００２４】しかし、このようなガラスすすが堆積し得
る速度には限界があり、すす堆積速度を有意義に増すこ
とができれば完成する光ファイバの最終的なコストは、
事実上削減されることは当業者には既知である。

【００２５】図２に説明されるようにガラスすすを堆積
させるために使用され得る、本発明に従ったトーチ２０
が図３に示されている。従来技術においては、ガス源２
５からの純粋な酸素であり得る酸素含有ガスおよびメタ
ンと酸素の混合ガス源２６からの燃料ガスがトーチに供
給される。これらのガスは加圧下においてトーチ２０へ
送られ、オリフィスを通って放出され、図２の火炎を形
成するために点火される。

【００２６】特に、酸素はオリフィス２８および２９か
ら放出され、燃料ガスはオリフィス３０から放出される
。図４に示されるように、これらのオリフィスは基本的
に環状形であり、トーチの軸を横切る平面において円形
の形状を有する火炎前部をもたらす。

【００２７】さらに、原理上は一つの火炎前部のみで反
応に必要な熱を供給できるが、オリフィス３０からの燃
料ガスとオリフィス２８からの酸素が交わる位置には、
オリフィス３０からの燃料とオリフィス２９からの酸素
によって形成された火炎前部を囲むように、円筒形の火
炎前部が形成される。

【００２８】本発明によると、（気体状の反応物ではな
く）液体のケイ素含有反応物が反応物源３２から管３３
を通って超音波ノズル３４へ供給される。超音波ノズル
は、液体を噴霧または、図３および４の中心オリフィス
３５を通って放出される微細な霧に分解するために、高
周波数の音響エネルギーを使用する。

【００２９】ケイ素含有液体は実例として、常温常圧で
液体である四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）が使用される。 従来技術ではこのような液体は、温度制御された液体反
応物溜めを通した計量されたキャリヤガスによって、蒸
気として送られる。この方法による蒸気の供給速度の制
御は、比較的コストがかかり、信頼性を欠く。

【００３０】液体の超音波ノズルへの供給は、ポンプ３
６によって制御される。ノズル３４は、液体を直径約２
０から５０ミクロンの液滴から構成される微細な霧に噴
霧する従来の周知の構造である。噴霧された液体のオリ
フィス３５からの放出速度は比較的遅く、一般に毎秒０
．２から０．４メートルである。

【００３１】これは、一般に毎秒２０メートル程度であ
る他の液体噴霧器の放出速度より非常に遅い。この低速
度が比較的高速度の堆積の一因となり、キャリヤガスと
バブル装置を使用する従来システムにおける堆積速度よ
り約３５パーセント速くなる。オリフィス３５は０．０
２０から０．２５０インチの間の直径を有することが望
ましく、一般には０．０５２インチである。

【００３２】本実験例で使用した超音波ノズル３４はモ
デル８７００ー１２０として知られ、ニューヨーク州ポ
ーキープシー（Ｐｏｕｇｈｋｅｅｐｓｉｅ，Ｎｅｗ　Ｙ
ｏｒｋ　）のソノテックコーポレーション（Ｓｏｎｏ−
Ｔｅｋ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から市販されている
。オリフィス３５の形状は、図５により詳細に示されて
いる。超音波ノズルの表面３７は、トーチ２０の他のオ
リフィスが決定される表面と同一平面を成すように形成
される。

【００３３】他のいくつかの形状のノズルもソノテック
カンパニーから入手可能であるが、先に選択したノズル
は、一般に図５に示される平らな表面３７を有する。続
く実験により、０．０２０インチ凹んだオリフィスはい
くらかの利点を提供することが示された。

【００３４】ポンプ３６はカリフォルニア州コンコルド
（Ｃｏｎｃｏｒｄ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）のミクロポ
ンプ　　カンパニー（Ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　Ｃｏｍｐａ
ｎｙ　）から市販されているモデル１８４ポンプであり
、再生可能でパルスのない液体流をノズル３４に供給す
るために選択された。管３３は、外径８分の１インチの
テフロン（ＴＭ）管である。

【００３５】供給速度は、液体ＳｉＣｌ４　で１５ｃｃ
／分から２１ｃｃ／分の間であるが、他のポンプ速度も
選択され得る。ノズル３４は１２０キロヘルツにおいて
動作し、約２ワットの電力設定が１５ｃｃ／分の流量に
おいて良好な噴霧を提供することが発見された。より高
い電力設定は、より大きい流量において使用される。

【００３６】図２において、実験では回転石英マンドレ
ルを使用した。全ての実験は、毎分２００回転の回転速
度において行われた。２６センチメートル以上の長さの
部分への堆積を可能にするために、マンドレルは軸に沿
って毎秒１．５センチメートルの速度で動かされる。

【００３７】堆積後の試験により、要求されるガラスす
す（ＳｉＯ２　）材料の微細粒子を生成する、火炎内で
の四塩化ケイ素の反応が完全であることが示された。試
験により、この材料が実質的に、従来の全気体システム
によって生成されたすすシリンダと同一であることが示
された。

【００３８】ガラスの圧縮は、もしすす堆積物が未反応
材料を含んでいると生成され得る気泡のような欠陥を生
じない。さらにトーチやノズル設計の実験により、さら
なる最適化とガラスの堆積速度の一層の増加が導かれる
ことが予想される。

【００３９】本発明は上記のＯＶＤ法と同様に、図６に
示されるＶＡＤ火炎加水分解法においても使用される。 ＶＡＤ法において、矢印で示されるように回転しながら
軸に沿って上方に移動するベイトロッド上にガラスすす
３９を堆積させるために、トーチ４０は火炎３８を生成
する。

【００４０】既知のようにこの技術によって、完成した
プリフォームを構成するために圧縮されるか、或いはそ
の直径を広げるために前述のようにオーバークラッド管
内に挿入され得るすすシリンダが提供される。前述のよ
うに光ファイバは、加熱され、部分的に溶融したガラス
プリフォームからガラスを引き抜くことにより引き延ば
される。

【００４１】ガラスすすのドーピングに関して、前述の
火炎熱分解法において適当なドーパントが使用され得る
ことが理解される。これらのドーパントは液体先駆物質
とともに超音波ノズルへ供給されるか、または他のオリ
フィスを通って気体状態で供給され得る。

【００４２】必要な周波数のような、音響エネルギーの
パラメータを特定する必要は無く、またいかなる構造の
改良も必要ないと考えられるが、使用した超音波ノズル
は、トーチ内に逆からまっすぐに適合する”シェルフの
無い”製品である。本発明は一般に図３および４に示さ
れるトーチ構造において説明され、開口部の円形の列は
、環状の開口部２８、２９および３０で代用できる。

【００４３】トーチ正面で酸素と表面混合される燃料ガ
スとして、しばしば水素が使用される。他の代用として
、燃料は液体反応物と混合されて反応物とともに噴霧さ
れ得る。この場合、噴霧された液滴はそれ自体が酸化ま
たは燃焼して、反応のための熱を供給する。反応物また
はケイ素源として液体テトラエチルオルトケイ酸塩（ｔ
ｅｔｒａｅｔｈｙｌｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ　）が
使用される場合は、この物質自体が可燃性であるため、
分離した燃料源は必要ない。

【００４４】上に堆積が行われる図２のマンドレル２２
として異なる材料も使用可能である。当業者によって、
本発明の主旨と範囲を離れない他の種々の応用が可能で
ある。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ガ
ラスすすの堆積速度が非常に速くなるため、ガラスおよ
びそれから製造される光ファイバの製造コストが削減さ
れる。また反応物を気化する必要がないため、反応物の
供給の制御も簡便化され、供給コストが削減され、再現
生が増す。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を使用した光ファイバ製造方法を説明し
た流れ図である。

【図２】本発明の実施例に従ったガラスすすの火炎堆積
法を示した概要図である。

【図３】本発明の実施例に従って使用されるトーチを示
した概要図である。

【図４】図３の線４ー４における断面図である。

【図５】図３の装置に使用される超音波ノズルの一部の
説明図である。

【図６】本発明の他の実施例に従った、ガラスすすの火
炎堆積を示した概要図である。

【符号の説明】

２０　　トーチ ２１　　火炎 ２２　　マンドレル ２３　　すすシリンダ ２５　　酸素源 ２６　　メタン＋酸素源 ２８　　オリフィス ２９　　オリフィス ３０　　オリフィス ３２　　反応物質源 ３３　　管 ３４　　超音波ノズル ３５　　中心オリフィス ３６　　ポンプ ３７　　ノズル表面 ３８　　火炎 ３９　　ガラスすす ４０　　トーチ